Merancang Rakitan Optik IR Tingkat Lanjut untuk UAV

Industri UAV telah berkembang dan tumbuh secara signifikan dalam beberapa tahun terakhir. Bersamaan dengan pertumbuhan ini, kami telah melihat perkembangan UAV dan drone dengan sistem pencitraan inframerah yang semakin canggih, yang berisi detektor yang berukuran lebih besar dan lebih kecil dalam ukuran piksel, yang menghadirkan tantangan bagi optik UAV.

Kualitas lensa harus ditingkatkan untuk memaksimalkan kinerja pencitraan sejalan dengan kemampuan detektor, memungkinkan penglihatan resolusi tinggi. Tiga faktor penting harus selalu dipertimbangkan untuk memastikan perakitan optik cocok untuk UAV dan drone; ini dikenal sebagai SWaP - Ukuran, Berat, dan Konsumsi daya. Dengan kata lain, optik harus kompak, ringan, dan dengan konsumsi daya yang rendah, untuk memungkinkan waktu penerbangan maksimum.

Tantangan jatuh pada produsen optik untuk merancang dan memproduksi optik dengan gambar yang jernih dan bersih di seluruh rentang zoom, dan MTF (fungsi transfer modulasi) mendekati batas difraksi, sekaligus memenuhi persyaratan SWaP yang ketat. Optik juga harus mampu bertahan dalam kondisi lingkungan yang keras terkait dengan berbagai aplikasi UAV dan drone, seperti di industri pertahanan.

Latar Belakang

Industri kendaraan udara tak berawak (UAV) berkembang pesat, dengan analis Teal Group memperkirakan bahwa produksi UAV di seluruh dunia akan mencapai $135 miliar dalam sepuluh tahun ke depan. Saat dilengkapi dengan muatan kamera EO/IR berkinerja tinggi, UAV dan drone dapat digunakan untuk berbagai aplikasi pencitraan.

Pasar drone terdiri dari aplikasi pertahanan, pemerintahan, dan komersial. Di bidang pertahanan dan pemerintahan, drone digunakan untuk pengawasan militer dan polisi, kontrol perbatasan, keamanan, dan operasi pencarian dan penyelamatan. Antara 2009 dan awal 2017, setidaknya 347 lembaga penegak hukum dan tanggap darurat di AS mengakuisisi drone.

Di pasar drone komersial, permintaan telah meningkat. Drone komersial dengan kemampuan pencitraan termal memainkan peran penting dalam memeriksa saluran listrik, pipa minyak, deteksi kebakaran hutan, dan infrastruktur lainnya. Kemampuan tersebut juga digunakan untuk membantu operasi pemadaman kebakaran dengan menemukan dan menilai kebakaran, bahkan saat jarak pandang buruk.

Karena teknologi UAV diterapkan dalam berbagai tugas canggih yang semakin meningkat, kami melihat kebutuhan yang berkembang untuk memaksimalkan kinerja pencitraan. Kebutuhan optik khusus ditunjukkan oleh peningkatan resolusi dan ukuran detektor yang disebutkan di atas, dengan penurunan ukuran piksel yang menyertainya. Produksi drone yang lebih kecil untuk penggunaan komersial juga meningkatkan tantangan yang dihadapi oleh produsen optik.

Solusinya

Lensa berkualitas tinggi sangat penting untuk memanfaatkan kemajuan dalam kinerja detektor. Lensa inferior akan menghasilkan gambar inferior, bahkan dengan detektor terbaik. Untuk mencocokkan kinerja tinggi, detektor piksel kecil, F#s yang lebih rendah dan toleransi yang lebih ketat diperlukan, membentuk lensa dengan aberasi minimal. Untuk menjawab persyaratan tersebut, lensa juga harus memiliki panjang fokus yang panjang, untuk menangkap gambar dari jarak yang jauh. Solusi terbaru didasarkan pada optik lipat canggih dan lensa zoom ringan, yang dioptimalkan untuk sistem pencitraan termal inframerah generasi berikutnya.

Mendesain Lensa untuk UAV dan Drone

Teknologi canggih sedang digunakan untuk memenuhi persyaratan optik UAV dan drone. Ini termasuk desain optik dan mekanik yang inovatif, material yang eksotis, serta teknologi pembuatan dan pelapisan lensa yang unik.

Lensa zoom berkelanjutan mengatasi tantangan SWaP rendah sekaligus menjaga kinerja optik tinggi. Lensa ini lebih kecil dan lebih ringan daripada menggunakan beberapa lensa 1-FOV. Selain itu, lensa zoom berkelanjutan memungkinkan fleksibilitas misi yang lebih baik dengan memungkinkan perubahan perbesaran selama pengoperasian UAV.

Bekerja sama dengan pelanggan pertahanan dan komersial, Ophir, misalnya, telah mengembangkan serangkaian lensa zoom pencitraan termal berperforma tinggi yang ringan yang dirancang khusus untuk digunakan dalam muatan UAV, drone, dan perangkat genggam. Lensa zoom canggih menggunakan desain optomekanis canggih, untuk memastikan lensa terkecil, teringan, dan paling ringkas, sambil tetap mencapai kinerja pencitraan termal IR tingkat tinggi.

Gambar 1(a) menunjukkan lensa zoom ringan LightIR 20-275mm f/5.5, dan tata letak opto-mekanisnya. Desain opto-mekanis yang inovatif menghasilkan bobot hanya 264 gram. Terlepas dari pembatasan SWaP yang menantang, desain ringan yang canggih menghasilkan nilai MTF tingkat tinggi di seluruh bidang, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1(b). Selain itu, pemilihan bahan canggih memungkinkan sifat athermalization yang unik, mempertahankan kinerja tertinggi pada suhu operasi yang luas, dalam kisaran -35°C hingga +65°C.

Karakteristik lensa ini mengarah pada rentang operasional yang panjang dibandingkan dengan ukuran dan berat lensa. Misalnya, jangkauan deteksi kendaraan 2,3m akan menjadi sekitar 15 km bila diintegrasikan dengan 23mK NETD, detektor piksel 15μm (berdasarkan perhitungan model FLIR92). Sejauh pengetahuan kami, ini adalah lensa zoom kontinu terkecil dan teringan yang tersedia saat ini, memungkinkan kemampuan kinerja tinggi sistem pencitraan termal IR canggih dalam kondisi lingkungan yang keras dan pada platform terbatas.

Pendekatan lain untuk mengatasi tantangan SWAP yang rendah mencakup konfigurasi optik terlipat yang dirancang khusus untuk muatan gimbal yang ringkas. Contohnya adalah lensa zoom optik lipat 16-180mm f/3.6 Ophir, dioptimalkan untuk detektor piksel 10μm MWIR.

Gambar 2(a) menunjukkan tata letak optomekanis dan gambar lensa zoom 16-180mm f/3.6. Desainnya didasarkan pada relai standar dan konfigurasi objektif, dengan dua grup bergerak yang memungkinkan perubahan dalam panjang fokus. Bahan dipilih menggunakan praktik terbaik, serta konsep athermalization dan achromatization.

Desain optik terlipat memungkinkan panjang optik yang panjang untuk mengurangi sensitivitas terhadap toleransi, dalam konfigurasi yang ringkas, dengan pengurangan jumlah elemen optik, sambil mengatasi berbagai tantangan dari konsep semacam itu. Ini termasuk stabilisasi line-of-sight (LOS), dan pengurangan jumlah elemen optik, berdasarkan kemampuan kami untuk menghasilkan permukaan asferis dan difraksi dengan tingkat akurasi dan kualitas yang luar biasa.

Gambar 2(b) menunjukkan hasil MTF sebagai fungsi frekuensi spasial dari desain lipatan 16-180mm untuk WFOV dan NFOV, yang menggambarkan kemampuan desain untuk mendapatkan kinerja batas difraksi yang mendekati. Seperti yang dapat dilihat, kinerja MTF yang tinggi dari desain ini dipertahankan di seluruh bidang dan, bahkan di sudut-sudut, kinerjanya lebih dari wajar.

Teknologi pembubutan berlian sering digunakan untuk menghasilkan permukaan asferis dan difraksi, dengan tingkat akurasi dan kualitas yang luar biasa. Permukaan lensa asferis diinginkan, terutama dalam hal optik inframerah, yang menunjukkan peningkatan signifikan dalam kinerja optik dibandingkan lensa sferis. Permukaan lensa Aspheric-Diffractive memungkinkan integrasi beberapa fungsi, seperti koreksi aberasi kromatik dan sferis. Oleh karena itu, lensa yang dihasilkan oleh pembubutan berlian dapat menggabungkan beberapa elemen, mengurangi ukuran dan berat keseluruhan.

Penggunaan lapisan lensa anti-reflektif yang tahan lama juga meningkatkan kinerja optik, tanpa berdampak pada ukuran atau berat lensa. Pelapis lensa memaksimalkan transmisi dengan mengurangi kerugian refleksi. Teknik pelapisan canggih dapat digunakan untuk menghasilkan pelapis yang dibuat khusus. Lapisan ini dapat dirancang untuk memenuhi kebutuhan industri UAV, di mana drone dapat digunakan di berbagai lingkungan, masing-masing menghadirkan tantangan optiknya sendiri.

Lensa SWaP

Dalam hal optik untuk UAV, muatan, drone, dan aplikasi perangkat genggam, optik Anda harus menyertakan kemampuan berikut:

• Lensa faktor bentuk kecil agar sesuai dengan gimbal mini;

• Zoom ultra-ringan &lensa fokus tetap;

• Performa optik tinggi;

• Konsumsi daya rendah;

• Pelapis AR dengan daya tahan tinggi (HD) atau karbon keras refleksi rendah (LRHC);

• Perubahan FOV cepat;

• Zoom berkelanjutan, dengan F# tetap dipertahankan melalui rentang zoom penuh;

• Penglihatan lubang melalui zoom yang akurat;

• Kompatibel dengan detektor MWIR &LWIR utama;

• Desain optik terbatas difraksi.

Kesimpulan

Solusi optik canggih adalah kunci kinerja misi udara untuk jaminan kualitas gambar yang tinggi tanpa beban berat pada muatan UAV. UAV dan drone yang dilengkapi dengan detektor terbaik, perangkat lunak pengolah gambar, dan monitor juga harus dilengkapi dengan lensa berperforma tinggi, jika tidak, dapat mengakibatkan kualitas gambar yang buruk.

Optik untuk UAV dan drone harus memenuhi batasan ketat yang dikenal sebagai 'SWaP' ​​(Ukuran, Berat, dan Konsumsi daya). Memenuhi kendala ini menghadirkan tantangan bagi produsen lensa optik, yang harus menghadirkan lensa kompak, ringan, dan berkinerja tinggi untuk beroperasi di bawah kondisi lingkungan yang keras.

Kendala ini dipenuhi dengan menggunakan teknologi manufaktur mutakhir, dan desain opto-mekanis yang unik. Sebagai contoh, Ophir telah berhasil merancang dan mengimplementasikan lensa zoom IR canggih dengan pengurangan SWaP berdasarkan desain optik terlipat yang unik, cocok untuk ukuran piksel 10μm, serta konsep opto-mekanis yang ringan dengan panjang fokus yang relatif panjang. Kedua lensa menunjukkan kinerja MTF yang mendekati batas difraksi, dan kemampuan untuk penglihatan jarak jauh, resolusi tinggi dan identifikasi dalam kondisi lingkungan yang keras, dan pada platform terbatas.

Rakitan optik IR canggih tersebut memenuhi persyaratan industri UAV yang menantang dan membuka peluang baru dalam aplikasi pencitraan termal UAV dan drone generasi berikutnya.

Artikel ini ditulis oleh Dr. Kobi Lasri, General Manager, Ophir Optronics Solutions, MKS Instruments Inc. (Yerusalem, Israel). Untuk informasi lebih lanjut, hubungi Dr. Lasri di Alamat email ini dilindungi dari robot spam. Anda perlu mengaktifkan JavaScript untuk melihatnya., atau kunjungi di sini .

Referensi

1. Grup Teal (2017).
2. Gettinger, D. (2017). Drone Keamanan Publik. Diperoleh dari Pusat Studi Drone.